一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统，通过运用高色散玻璃材料色散与波长之间的非线性，实现Fery棱镜光谱仪光谱分辨率非线性与折射式色散物镜色散距离非线性相互补偿，实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，从根本上解决了测量距离的线性问题，有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度，不改变分辨力的同时量程可以扩大到原来的两倍。此外，采用多波段光纤耦合技术，将宽波段光源与特定波长激光光源耦合单光纤输出，特定激光波长与宽波段光源严格共用光谱共焦显微系统光路，可以实现光谱仪谱线位置的自标校，可以有效提高在线检测时光谱测量精度。

A high resolution and self calibration spectral confocal displacement measurement system

The invention discloses a high resolution and self calibration of spectral confocal displacement measurement system, through the use of nonlinear high dispersion glass material dispersion and wavelength, Fery prism spectrometer spectral resolution and nonlinear refractive lens dispersion dispersion distance of nonlinear phase complementary, linear between axial distance measurement and the corresponding pixel detector, from the fundamental to solve the problem of linear measurement range, sensitivity helps balance system in the whole measure scope, does not change the resolution and range can be expanded to two times the original. In addition, the multi band optical fiber coupling technology, the wide band light source with a specific wavelength of the laser light source coupled single fiber output, specific laser wavelength and wide band light source spectral confocal microscopy system strictly common optical path, self calibration can achieve line position of the spectrometer, can effectively improve the measurement accuracy of spectral line detection.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱共焦位移测量
，尤其涉及一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统。
技术介绍
光谱共焦技术无需轴向扫描，直接由波长对应轴向距离信息，从而大幅提高测量速度。光谱共焦传感器是一种高精度、非接触式的新型传感器，精度理论上可达nm量级，对被测表面状况要求低，允许被测表面有更大的倾斜角，测量速度快，实时性高，迅速成为工业测量的热门传感器，广泛应用于精密定位、薄膜厚度测量、微观轮廓精密测量等领域。光谱共焦位移测量技术是一类非接触式高精度位移传感器，由光源射出一束宽光谱的复色光(呈白色)，通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一个波长都对应一个到被测物体的距离值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到，通过计算被感测到的波长，换算获得距离值。其测量精度能够达到微米量级，具有对表面状况的要求低、容许大的倾斜角度等优点。传统的光谱共焦位移传感器多采用透射式的色散镜头进行光谱色散，采用衍射光栅光谱仪感测波长。传统的色散物镜主要有折射式和衍射式两类。折射式色散物镜一般通过采用高色散的玻璃透镜来产生色差，产生的色散与波长成非线性关系。衍射元件可以产生大的色差且色差与波长成线性关系，但一般有较大的球差，须配以透镜校正球差，而折射透镜会破坏衍射色散与波长间的线性关系，得到的色差与波长仍然是非线性。波长越短，折射率随波长的变化越大，轴向色散距离越大，波长越长，轴向色散距离越短，为了实现轴向色散线性，色散物镜结构会变得复杂，成本高，体积大。由于光栅光谱仪的线色散率是不变的，而色散物镜存在较大的非线性，导致某些位置(灵敏度较低的区域)产生了位移，而光谱仪探测不到波长变化的情况，影响了光谱共焦传感器在测量范围内的灵敏度、分辨力等性能。Fery棱镜提出于20世纪初期，20世纪90年代开始应用于光谱成像
Fery棱镜作为色散元件，它集色散和成像功能于一体，大大简化了光谱成像仪光学系统的设计。相比传统色散型光谱成像仪，其结构紧凑、体积小、重量轻，而且能够有效校正棱镜色散带来的谱线弯曲和色畸变的问题。相比同类型的光栅光谱成像仪，其能量利用率高，可以有效的避免二级光谱的干扰。近年来，Fery棱镜光谱成像仪在机载和星载光谱成像技术中获得迅猛发展。然而，Fery棱镜还没有被应用在光谱共焦位移测量

技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统，可以实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，以及实现光谱仪谱线位置的自标校。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，包括：宽光谱光源、光纤、分光镜、色散物镜、针孔与Fery棱镜光谱仪；其中：宽光谱光源通过光纤耦合输出复色光点光源，复色光点光源透过分光镜，照射在色散物镜上，色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光；当被测镜放置在色散物镜像平面附近的测量区域时，其中完美聚焦在被测镜上表面与下表面的两个波长的单色光将通过分光镜的反射面反射至针孔，由放置在针孔后的Fery棱镜光谱仪接收；由Fery棱镜光谱仪根据两个单色光的波长及两个单色光在探测器上波峰位置之差，确定被测镜的厚度，也即这两个波长的单色光轴向测量距离之差；且这两个波长的单色光轴向测量距离之差与这两个波长的单色光在探测器上波峰位置之差为常数。所述色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光，并将不同波长的单色光聚焦在轴向位置的不同高度；所述色散物镜玻璃材料的折射率与波长成非线性关系，轴向测量距离间隔1mm对应不同波长的间隔也具有非线性，不同波长的单色光被所述被测物体反射回色散物镜后，通过分光镜的反射面，反射至针孔，与针孔共轭位置点对应的波长的单色光通过针孔进入Fery棱镜光谱仪。所述Fery棱镜光谱仪包括：第一与第二反射镜、双胶合Fery棱镜与探测器；其中，通过针孔的单色光经过第一反射镜反射至双胶合Fery棱镜，再经双胶合Fery棱镜色散至第二反射镜，最终由第二反射镜反射至探测器。一种自校准光谱共焦位移测量系统，包括：宽光谱光源、特定波长为N以及M的激光光源、光纤、分光镜、色散物镜、针孔与Fery棱镜光谱仪；其中，采用多波长光纤耦合技术，将宽谱段光源与特定波长N以及M的激光光源耦合后单光纤输出；所述宽光谱光源以及两个特定波长的激光光源共用同一个测量光路；其中，宽光谱光源的光源波长包含特定波长为N与M；首先，仅打开宽光谱光源，关闭其他两个特定波长的激光光源；宽光谱光源通过光纤耦合输出复色光点光源，复色光点光源透过分光镜，照射在色散物镜上，色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光，当被测物体放置在色散物镜像平面附近的测量区域时，其中完美聚焦在被测物体表面的某一波长的单色光将通过分光镜的反射面反射至针孔，由放置在针孔后的Fery棱镜光谱仪接收，通过移动被测物体使得各个波长的单色光通过针孔射入Fery棱镜光谱仪；由所述Fery棱镜光谱仪获得相应的单色光波长值与波峰位置的关系表；当需要对系统进行校准时，打开特定波长为N以及M的激光光源，关闭宽光谱光源；按照与宽光谱光源相同的工作方式，根据获得特定波长N与其波峰位置关系，以及根据获得特定波长M与其波峰位置关系对所述关系表进行验证与校准。还包括：利用特定波长为N以及M的激光光源检测单色光的轴向测量距离；将特定波长为N的激光光源对应的轴向测量距离为Z1，波峰位置为Y1；特定波长为M的激光光源对应的轴向测量距离为Z2，波峰位置为Y2；计算待检测检测单色光的轴向测量距离Zi，其公式为：其中，Yi为待检测检测单色光通过与宽光谱光源相同的工作方式后由Fery棱镜光谱仪获得的波峰位置。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，运用高色散玻璃材料色散与波长之间的非线性，实现Fery棱镜光谱仪光谱分辨率非线性与折射式色散物镜色散距离非线性相互补偿，实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，从根本上解决了测量距离的线性问题，有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度，不改变分辨力的同时量程可以扩大到原来的两倍；同时，采用Fery棱镜分光的方式进行光谱探测，具有能量利用率高、稳定性好、抗干扰能力强、结构简单、成本低等特点。此外，采用多波段光纤耦合技术，将宽波段光源与特定波长激光光源耦合单光纤输出，特定激光波长与宽波段光源严格共用光谱共焦显微系统光路，可以实现光谱仪谱线位置的自标校，可以有效提高在线检测时光谱测量精度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种高分辨力光谱共焦位移测量系统的示意图；图2为本专利技术实施例提供的双胶合的Fery棱镜色散原理图；图3为本专利技术实施例提供的光谱共焦轴向测量距离测量原理图；图4为本专利技术实施例提供的一种自校准光谱共焦位移测量系统示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，包括：宽光谱光源、光纤、分光镜、色散物镜、针孔与Fery棱镜光谱仪；其中：宽光谱光源通过光纤耦合输出复色光点光源，复色光点光源透过分光镜，照射在色散物镜上，色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光；当被测镜放置在色散物镜像平面附近的测量区域时，其中完美聚焦在被测镜上表面与下表面的两个波长的单色光将通过分光镜的反射面反射至针孔，由放置在针孔后的Fery棱镜光谱仪接收；由Fery棱镜光谱仪根据两个单色光的波长及两个单色光在探测器上波峰位置之差，确定被测镜的厚度，也即这两个波长的单色光轴向测量距离之差；且这两个波长的单色光轴向测量距离之差与这两个波长的单色光在探测器上波峰位置之差为常数。

【技术特征摘要】
1.一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，包括：宽光谱光源、光纤、分光镜、色散物镜、针孔与Fery棱镜光谱仪；其中：宽光谱光源通过光纤耦合输出复色光点光源，复色光点光源透过分光镜，照射在色散物镜上，色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光；当被测镜放置在色散物镜像平面附近的测量区域时，其中完美聚焦在被测镜上表面与下表面的两个波长的单色光将通过分光镜的反射面反射至针孔，由放置在针孔后的Fery棱镜光谱仪接收；由Fery棱镜光谱仪根据两个单色光的波长及两个单色光在探测器上波峰位置之差，确定被测镜的厚度，也即这两个波长的单色光轴向测量距离之差；且这两个波长的单色光轴向测量距离之差与这两个波长的单色光在探测器上波峰位置之差为常数。2.根据权利要求1所述的一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，所述色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光，并将不同波长的单色光聚焦在轴向位置的不同高度；所述色散物镜玻璃材料的折射率与波长成非线性关系，轴向测量距离间隔1mm对应不同波长的间隔也具有非线性，不同波长的单色光被所述被测物体反射回色散物镜后，通过分光镜的反射面，反射至针孔，与针孔共轭位置点对应的波长的单色光通过针孔进入Fery棱镜光谱仪。3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，所述Fery棱镜光谱仪包括：第一与第二反射镜、双胶合Fery棱镜与探测器；其中，通过针孔的单色光经过第一反射镜反射至双胶合Fery棱镜，再经双胶合Fery棱镜色散至第二反射镜，最终由第二反射镜反射至探测器。4.一种自校准光谱共焦位移测量系统，其特征在于，包括：宽光谱光源、特定波长为N...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雅灿，景娟娟，周锦松，王向前，王欣，魏立冬，何晓英，卜美侠，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11